用于路橋檢測的地質(zhì)雷達技術(shù)
2016-01-25
一、前言
地質(zhì)雷達(又稱探地雷達，Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)檢測技術(shù)是一種高精度、連續(xù)無損、經(jīng)濟快速、圖像直觀的高科技檢測技術(shù)。它是通過地質(zhì)雷達向物體內(nèi)部發(fā)射高頻電磁波并接收相應的反射波來判斷物體內(nèi)部異常情況。作為目前精度較高的一種物理探測技術(shù)，地質(zhì)雷達檢測技術(shù)已廣泛應用于工程地質(zhì)、巖土工程、地基工程、道路橋梁、文物考古、混凝土結(jié)構(gòu)探傷等領域。
二、地質(zhì)雷達的工作原理
地質(zhì)雷達儀器主要由控制單元、發(fā)射天線、接收天線、筆記本電腦等部件組成。工作人員通過操縱筆記本電腦，向控制單元發(fā)出命令；控制單元接收到命令后，向發(fā)射天線和接收天線同時發(fā)出觸發(fā)信號；發(fā)射天線觸發(fā)后，向地面發(fā)射頻率為幾十至幾千兆赫的高頻脈沖電磁波；電磁波在地下傳播過程中，遇到電性不同的界面、目標或局域介質(zhì)不均勻體時，一部分電磁波反射回地面，由接收天線接收，并以數(shù)據(jù)的形式傳輸?shù)娇刂茊卧儆煽刂茊卧獋鬏數(shù)焦P記本電腦，以圖像的方式顯示。對圖像進行處理分析，便可得出地下介質(zhì)分布情況，從而實現(xiàn)檢測的目的。其工作流程如圖1所示。
按照現(xiàn)場測量和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，地質(zhì)雷達檢測技術(shù)可以分為剖面法、寬角法、多天線法等幾種方法。其中最為常用的是剖面法，即發(fā)射天線和接收天線以固定間隔距離沿測線同步移動的一種測量方法。發(fā)射天線和接收天線同時移動一次便獲得一個記錄。當發(fā)射天線與接收天線同步沿測線移動時，就可以獲得一系列記錄組成的地質(zhì)雷達時間剖面圖像。其中橫坐標為天線在地表測線上的位置，縱坐標為電磁波從發(fā)射天線發(fā)出經(jīng)異常介質(zhì)反射回到接收天線的雙程走時。當發(fā)射天線與接收天線之間的距離相對天線與異常介質(zhì)的距離很小時，可以近似認為雙程走時正比于天線與異常介質(zhì)的距離。
三、地質(zhì)雷達誤差產(chǎn)生分析
1、反射信號時間差
要想準確地記錄反射信號時間差，首要的問題是確定計算時間的起點。依據(jù)地質(zhì)雷達的工作原理，可以把探地雷達的反射信號的觸發(fā)點看作是物理時間的起點，但是這樣也存在不少問題尚待解決：
?。?）強烈的直達波信號和地面反射信號的干擾，使記錄整體面貌變壞，影響增益設置和自動增益的使用。
?。?）天線的位置隨著路況的不同而起伏顫動，識別地面反射點的位置要花費大量的精力。
為了提高起始零點的標定精度，地質(zhì)雷達一般備有自動調(diào)零設置，設計用自動軟件將時間起點移到地面反射信號位置。同時，還要輔用一些校正方法。校正的方法是：首先顯示整條波形掃描曲線，在掃描曲線中辨認出直達波和地面反射波，然后將原點時間光標移動到地面反射的位置。
2、介電常數(shù)的標定
介電常數(shù)決定介質(zhì)中電磁波的傳播速度，因此介電常數(shù)能否正確標定是能否測定路面厚度的另一個重要因素。標定介電常數(shù)的傳統(tǒng)方法主要有數(shù)學模型計算、利用鉆芯厚度標定以及反射波波幅推導3 種。
四、在公路檢測中的應用
公路路基往往由于含水量過高、承載力不足、壓實度達不到要求等原因，而使路基產(chǎn)生過量沉陷，形成空洞、暗穴，有時局部還會產(chǎn)生滑坍等。面層在行車荷載的反復作用和自然風化因素的影響下，會逐漸出現(xiàn)損壞，形成路面沉陷、車轍推移、開裂等。另外，由于公路結(jié)構(gòu)層透水性問題使局部集水。而產(chǎn)生軟弱體(或軟弱層)等病害。公路病害的形成原因是多方面，有本身質(zhì)量造成的，有自然風化、外界作用產(chǎn)生的，路基問題與路面問題也不是獨立形成的，兩者相互作用、互相影響，因此在公路病害調(diào)查中，查明“病因”十分重要。本文特選了幾個典型路段作針對性檢測試驗。這些路段的路面破損明顯，出現(xiàn)了坑槽、車轍、推移、裂痕、路面沉陷、橋頭跳車等多種病害。
1、公路基層及路基損壞檢測
本次檢測出基層及路基損壞的區(qū)段較多，在雷達資料上，結(jié)構(gòu)層損壞表現(xiàn)為界面反射起伏不平，反射波扭曲，連續(xù)性差。該段基層反射波起伏雖不大。但連續(xù)性較差。而路床反射微弱，但反射起伏較大，說明路基及基層已破壞，路基損壞較嚴重。
2、公路路面脫空檢測
檢測位置在某鐵路橋南側(cè)。該段路面已損壞，從資料上分析，基層損壞明顯，墊層與路床界面起伏不平，說明基層、墊層內(nèi)部介質(zhì)橫向上已發(fā)生變化，基層內(nèi)部界面不明顯。分析該段路結(jié)構(gòu)層：面層底面反射時間2．94ns。埋深16cm；基層底部反射時間11．18ns，埋深71cm。橋頭以南仁20m范圍內(nèi)，面層之下有一明顯軟弱夾層，形成路面脫空，檢測資料上反映為一夾層反射，以中部為最厚，反射時間為2．2l-5．74ns，厚約5cm，其下基底界面已十分微弱，說明基層工程特性較差。
3、公路路面裂紋檢測
裂紋在高速公路病害異常中表現(xiàn)比較細小。根據(jù)雷達探測原理可知：頻率越高，探測深度越淺，分辨率也越高；反之頻率作者簡介：蒲茹英，河北無極縣質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局。低，探測深度越深，分辨率也相應下降。所以雷達探測一般可解決淺部的裂紋異常，深部的裂紋可考慮采用超聲波法進行探測。深裂紋異常表現(xiàn)為向兩邊分散的有傾斜度的同相軸，淺部裂紋雷達圖象異常與此相似，但表現(xiàn)不太明顯。
4、公路路面下沉檢測
路面下沉可能由于建設初期壓實度不夠或后期長時間負載以及路基強度不夠等造成的，在雷達圖象上主要表現(xiàn)為同相軸不水平，有一定的傾斜度。
5、公路路面鋼筋網(wǎng)檢測
公路路面鋼筋網(wǎng)異常時，雷達探測是根據(jù)電磁波原理進行探測，所以對鐵磁性的物質(zhì)感應特別明顯，主要表現(xiàn)為同相軸有波峰突起，圖象情況跟鋼筋疏密有關(guān)，疏時同相軸呈小弧行，密集情況時則連成了一片。
6、公路路面密實度檢測
由于建設初期壓實度不夠或其它原因引起，部分橋臺和路段存在不密實區(qū)。在該范圍內(nèi)介質(zhì)通常不均勻，與周圍的介質(zhì)之間存在一定的差異。在雷達波形圖中表現(xiàn)波形比較紊亂，與正常的路面雷達圖象相比層狀波形少，與空洞異常相比，多次波相對也較少。
四、 在隧道工程中的應用
地質(zhì)雷達在隧道中的應用主要針對有混凝土襯砌結(jié)構(gòu)檢測、隧道病害檢測。主要解決以下問題：
1、襯砌厚度及襯砌鋼筋檢測
檢測隧道襯砌結(jié)構(gòu)各層厚度是否達到設計要求，原理與公路層厚度檢測類似。又由于鋼筋屬于良性導體，當雷達波從介質(zhì)入射到導體表面時，由于存在較大的電磁性差異，必然產(chǎn)生反射現(xiàn)象。從電磁波理論可以知道，金屬材料對雷達波具有很強的反射能力。所以可使用地質(zhì)雷達技術(shù)對隧道襯砌結(jié)構(gòu)中鋼筋的分布和密度進行檢測。
2、超前預報
隧道的特點是斷面大、距離長、地質(zhì)條件復雜。不良的地層條件極易引起隧道塌方、涌水等事故的發(fā)生。然而隧道工程所處環(huán)境的復雜性和不可預見性給安全施工帶來了不小的難度。為了盡量避免出現(xiàn)施工事故，在有地質(zhì)資料和理論分析作為參考依據(jù)的情況下，結(jié)合地質(zhì)雷達的超前探查技術(shù)對隧道圍巖變形進行有效的監(jiān)測，實時分析和掌控隧道的變形情況，并對隧道的襯砌狀態(tài)進行評價，可為施工提供指導性依據(jù)，從而達到安全施工的目的。
3、滲漏水
水對雷達波有強烈的反射，所以可以利用地質(zhì)雷達探測襯砌背后水的聚集情況，為防水與排水提供一定的依據(jù)。
結(jié) 論:
地質(zhì)雷達技術(shù)雖然是一項較為前沿的檢測技術(shù)，但是以其獨特的優(yōu)越性，已經(jīng)在公路與橋隧結(jié)構(gòu)施工及后期檢測養(yǎng)護等領域得到廣泛的應用。例如，在工程建設前期，可利用地質(zhì)雷達對地質(zhì)概況進行勘查探測，確定地質(zhì)結(jié)構(gòu)、查找不良地段；在工程建設過程中，利用地質(zhì)雷達可以準確地探測出路面結(jié)構(gòu)層的厚度，進而使施工質(zhì)量得到保證。
